BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Turbin Angin Turbin angin adalah suatu sistem konversi energi angin untuk menghasilkan energi listrik dengan proses mengubah energi kinetik angin menjadi putaran mekanis rotor yang kemudian memutar generator. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional seperi: PLTD, PLTU, PLTGA, dan lainnya, turbin angin terus dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (Contoh: batubara, minyak bumi, gas alam) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik. 2.2 Jenis-jenis Turbin Angin Jenis turbin angin berdasarkan poros atau sumbu, dibagi menjadi dua yaitu turbin angin sumbu horizontal (Horizontal Axis Wind Turbine) dan turbin angin sumbu tegak atau vertikal (Vertical Axis Wind Turbine). 6

2 Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) Turbin angin sumbu horizontal memiliki poros rotor dan generator yang berada di puncak menara dan harus searah dengan arah angin. Turbin angin yang berukuran lebih kecil diarahkan dengan menggunakan sirip, sedangkan untuk turbin angin berkapasitas besar menggunakan sensor dan servo motor untuk menggerakkan turbin agar menghadap dan searah dengan arah angin. 1. Kelebihan HAWT: Dasar menara yang tinggi memudahkan akses memperoleh angin yang lebih kencang dan memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin) yang lebih baik. Disejumlah lokasi, geseran angin setiap sepuluh meter ke atas kecepatan angin meningkat sebesar 20%. 2. Kelemahan HAWT Selain kelebihan yang dimiliki, HAWT juga mempunyai beberapa kelemahan, antara lain: a. Menara yang tinggi serta blade yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkat. Diperkirakan besar biaya pemasangan bisa mencapai 20 % dari seluruh biaya peralatan turbin angin ini. b. Konstruksi menara yang besar membutuhkan menyangga blade yang kuat, gearbox, dan generator. c. Konstruksi HAWT yang tinggi dapat mempengaruhi radar airport. d. Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan. e. HAWT membutuhkan mekanisme kontrol tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin.

3 Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) Sesuai dengan namanya, Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) mempunyai sumbu vertikal atau tegak lurus dengan sumbunya. Turbin angin sumbu vertikal memiliki efisiensi yang lebih kecil dibandingkan dengan turbin angin sumbu horizontal. Turbin angin sumbu vertikal memiliki poros atau sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan dari susunan ini adalah turbin tidak harus dihadapkan ke arah angin untuk menjadi lebih efektif. Beberapa kelebihan lain yang dimiliki oleh turbin angin sumbu vertikal, antara lain: aman, mudah membangunnya, bisa dipasang tidak jauh dari tanah, lebih baik dalam menangani turbulensi angin, dapat diletakan pada tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi, serta mampu mendayagunakan kecepatan angin dari berbagai arah. Generator dan gearbox dapat pula ditempatkan tidak jauh dari permukaan tanah. Hal ini meringankan beban tower dan memudahkan dalam maintenance (perawatan). Beberapa model turbin angin sumbu vertikal yang banyak digunakan adalah: 1. Savonius VAWT Savonius merupakan jenis turbin angin yang paling sederhana dan merupakan versi besar dari anemometer. Rotor tipe ini didesain oleh insinyur perancis S. J. Savonius pada tahun Ide dasarnya adalah menggabungkan dua silinder yang telah dibelah menjadi dua. Desain ini sangat mudah dan sederhana untuk diaplikasikan. Tipe savonius bergerak karena adanya gaya dorong (drag) dari angin, satu sisi memiliki gaya dorong yang lebih besar dari pada sisi lainnya sehingga terjadi perputaran. Tipe ini memiliki efisiensi yang rendah karena gaya dorong angin yang mengenai blade ditransformasikan menjadi gaya dorong awal yang akan mengggerakan rotor. Menurut

4 penelitian, koefisien tenaganya (Cp) tidak lebih dari 30%, sehingga cukup untuk menghasilkan daya yang rendah dengan kecepatan angin yang rendah pula. 9 Gambar 2.1 Savonius Wind Turbine 2. Darrieus VAWT Merupakan salah satu VAWT dengan efisiensi terbaik serta mampu menghasilkan torsi yang cukup besar pada putaran dan kecepatan angin yang tinggi. Turbin angin darrieus mengaplikasikan blade (bilah sudu) dengan bentuk dasar aerofoil NACA. Mengacu pada bentuk blade, prinsip kerja turbin angin darrieus terletak pada gaya angkat (lift) yang terjadi ketika permukaan aerofoil NACA terkena aliran angin. Turbin angin darrieus mempunyai blade yang disusun dalam posisi simetris dengan sudut blade dan diatur relatif terhadap poros. Pengaturan ini cukup efektif untuk menangkap berbagai arah angin. Berbeda dengan savonius, darrieus memanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketika angin bertiup. Blade turbin darrieus bergerak berputar mengelilingi sumbu. Kelemahan utama dari darrieus wind turbine yakni memiliki torsi awal berputar yang sangat kecil hingga tidak dapat melakukan putaran awal (self start) dengan baik. Pada aplikasinya turbin angin darrieus selalu membutuhkan perangkat tambahan untuk

5 melakukan putaran awal. Perangkat bantu yang digunakan berupa motor listrik atau umumnya lebih sering menggunakan gabungan turbin angin savonius pada poros utama. 10 Gambar 2.2 Darrieus Wind Turbine dengan 2 blade 3. H-Rotor H-Rotor VAWT, merupakan jenis dari turbin angin sumbu vertikal dimana prinsip kerjanya terletak pada 2 sisi blade yang tertiup oleh angin yang ditransmisikan ke poros, kemudian dapat membangkitkan generator sehingga generator dapat menghasilkan listrik. Jenis lain dari H-Rotor yaitu dengan menambahkan blade yang berguna untuk membantu meningkatkan rasio blade yang akan ditiup oleh angin. Saat ini banyak pengetahuan yang berkembang untuk meningkatkan teknologi VAWT. Energi yang dapat dihasilkan H-Rotor mampu hingga kwh. Namun untuk mesin yang lebih besar, H-Rotor mampu hingga 1 MW atau lebih.

6 11 Gambar 2.3 Darrieus Wind Turbine model H-rotor 4. Giromill VAWT Giromill merupakan bentuk dari pengembangan turbin angin darrieus, Giromill dirancang untuk menyempurnakan dan mengurangi kelemahan dari turbin angin darrieus. Turbin angin giromill memiliki tiga konfigurasi bentuk blade, yaitu: straight, helical twisted V, dan curved blade. Turbin angin ini menggunakan gaya angkat yang dihasilkan oleh aerofoil vertikal untuk mengubah energi angin menjadi energi mekanik rotasi. Giromill biasanya didukung oleh dua atau tiga aerofoils vertikal yang melekat pada tiang pusat. Giromill dapat bekerja dengan baik dalam kondisi angin yang bergolak. Meskipun lebih murah dan lebih mudah dalam proses pembuatannya dari pada turbin darrieus standard, namun giromill kurang efisien karena turbin ini membutuhkan angin yang kuat untuk memulai putaran awal, serta terkadang sangat sulit untuk mempertahankan tingkat kestabilan rotasi rotor.

7 12 Gambar 2.4 Giromill Wind Turbine Dasar-dasar Perhitungan VAWT Savonius Daya yang dihasilkan pada poros suatu turbin angin merupakan transformasi energi kinetik yang terdapat pada aliran angin. Aliran angin bergerak dengan kecepatan tertentu memiliki besaran energi kinetik yang dapat diserap oleh susunan blade turbin angin. Melalui persamaan 2.1 dapat dihitung secara matematis berapa besaran energi kinetik yang terkandung pada massa udara yang bergerak dengan kecepatan tertentu. Ek = ½. m.v 2... (Joule) (2.1) Dengan demikian, dapat dihitung daya maksimal aliran angin dalam satuan watt melalui persamaan 2.2 berikut: Pw = ½. ρ. A. v 3. (Watt) (2.2)

8 13 Dengan = Pw = Daya Angin (Watt) ρ = Massa Jenis (ρudara = kg/m 3 ) (kg/m 3 ) A = Luas Penampang Turbin (m 2 ) v = Kecepatan Udara (m/s) Besar daya di atas adalah daya yang dimiliki oleh angin sebelum dikonversi atau sebelum melewati turbin angin. Dari daya tersebut tidak semuanya dapat dikonversi menjadi energi mekanik oleh turbin. Sedangkan daya yang dapat dibangkitkan dari putaran rotor suatu turbin angin savonius dapat dihitung melalui pendekatan teori Betz. Percobaan Betz dapat dilihat pada gambar 2.5 berikut: Grafik 2.1 Performance of main conventional wing machines

9 14 Berdasarkan teori Betz yang divisualisasikan dalam bentuk grafik pada gambar 2.5 menjelaskan ketidakmungkinan suatu desain turbin angin yang memiliki Power Coefficient (Cp) di atas angka 56 %. Hal ini dapat diartikan bahwa desain turbin angin jenis apapun tidak akan menghasilkan efisiensi rotor di atas 56 %. Suatu turbin angin tidak akan mampu menyerap seluruh energi kinetik yang ada dalam aliran angin. Nilai efisiensi 56 % juga sering disebut sebagai batas Betz (Betz limit). Nilai Cp untuk satu tipe turbin angin tidak selalu sama karena nilai Cp merupakan fungsi dari tip speed ratio atau λ. Untuk mengetahui nilai Cp maksimal yang mampu dihasilkan oleh sebuah turbin angin, maka perlu diketahui terlebih dahulu nilai tip speed ratio yang dihasilkan. Melalui persamaan 2.3 dapat dilakukan perhitungan nilai tip speed ratio sebagai berikut: λ =. (2.3) Atau dapat dinyatakan dengan : λ =... (2.4)

10 15 Keterangan: λ = Tip Speed Rasio = Perbandingan antara kecepetan putar turbin terhadap kecepatan Angin. ω r v D n = Kecepatan Sudut (rad/s) = Radius Rotor (m) = Kecepatan Aliran Angin (m/s) = Diameter Rotor (m) = Putaran Rotor (rpm) Dengan diketahuinya nilai λ (tip speed ratio), maka dapat ditarik garik lurus vertikal pada grafik gambar 2.5 untuk mengetahui berapa nilai Cp maksimum. Pada turbin angin savonius dengan luas (A) serta radius rotor (r), dikenai kecepatan aliran angin (V), maka akan diketahui daya teoritis sebagai berikut: Pturbine = ½ Cp. ρ. A. V 3... (Watt) (2.5) Dengan : Cp = Faktor Daya (Power Coefficient)

11 16 Daya pada turbin dari angin juga bisa diperoleh dari persamaan 2.6 di bawah ini: Pturbine = T ω (2.6) Dari persamaan (2.5) dan (2.6) maka diperoleh; T ω = ½ Cp.ρ.A.V 3 Dan dari persamaan 2.3 diperoleh Torsi Shaft sebagai berikut : T.. = ½ Cp.ρ.A.V 3 T = ½.... (2.7) 2.4 Karakteristik VAWT Savonius Munculnya teknologi Vertical Axis Wind Turbine dilatarbelakangi oleh beberapa hal sebagai berikut: a. Mengacu pada prinsip kerja, savonius wind turbine yang memiliki desain dasar blade yang lebih sederhana dibandingkan HAWT maupun VAWT tipe lainnya.

12 17 b. Konstruksi yang lebih sederhana serta biaya proses pemesinan lebih terjangkau dibanding HAWT. Proses perawatan lebih mudah karena konstruksi yang sederhana dan banyak komponen yang berada di atas permukaan tanah. c. Mampu melakukan putaran awal (self start) pada kecepatan angin yang relatif rendah dibandingkan HAWT maupun tipe VAWT lainnya. Dalam beberapa contoh kasus, savonius wind turbine disatukan dengan darrieus wind turbine guna mempercepat putaran awal (self start). d. Berdasarkan prinsip kerja differential drag windmill, khususnya savonius wind turbine mampu menghasilkan torsi yang tinggi dari kisaran kecepatan angin yang rendah hingga kecepatan angin tinggi. e. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar. f. VAWT memiliki sudut aerofoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sehingga mengurangi gesekan pada tekanan yang rendah dan tinggi. g. VAWT biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah blade dengan laju sebenarnya) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak disaat angin berhembus sangat kencang. Selain menawarkan berbagai keunggulan, dalam aplikasinya ditemukan juga berbagai kelemahan, antara lain: a. Pada skala yang sama kebanyakan VAWT memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi HAWT karena gesekan atau gaya tarik tambahan yang dimilikinya saat rotor berputar.

13 18 b. VAWT tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang. c. Tip speed ratio yang dihasilkan rendah, dengan demikian efisiensi yang dihasilkan juga rendah. d. Kebanyakan VAWT mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi tambahan untuk mulai berputar. e. Sebuah VAWT yang menggunakan tiang untuk menyangganya, ini memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Secara teori, efisiensi maksimum yang bisa dicapai setiap desain turbin angin adalah 59 %. Jika faktor-faktor seperti kekuatan dan durabilitas diperhitungkan, maka efisiensi sebenarnya hanya %, bahkan untuk desain terbaik. Terlebih lagi jika ditambah inefisiensi sistem wind turbine lengkap; termasuk generator, bearing, transmisi daya, dan sebagainya, hanya % energi angin yang bisa dikonversikan menjadi energi listrik. 2.5 Generator Generator merupakan suatu perangkat yang menggunakan medan magnet untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Prinsip kerja generator secara sederhana dapat dijelaskan berdasarkan tegangan induksi yang terjadi pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak dalam medan magnet sehingga memotong garisgaris gaya medan magnet. Setelah itu, di sekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisiknya adalah kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator, pada akhirnya perubahan fluks ini akan menhasilkan tegangan dan arus listrik tertentu. Tegangan dan

14 19 arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya dapat digunakan sesuai dengan kebutuhan dan berbagai keperluan. Jumlah tegangan yang diinduksi berkaitan dengan: 1. Kekuatan medan magnet, makin kuat medan magnet makin besar tegangan yang diinduksikan. 2. Kecepatan penghantar dalam memotong fluks, semakin cepat maka tegangan yang diinduksikan juga semakin besar. 3. Sudut perpotongan, pada sudut 90 tegangan induksi maksimum dan tegangan berkurang seiring dengan berkurangnya sudut perpotongan. 4. Panjang penghantar dalam medan magnet. Gambar 2.5 Komponen Generator